二进制频移键控调制(2FSK)原理解析

二进制频移键控调制(2FSK)原理解析

数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频

，而符号“0”对应于载频

（与

不同的另一载频）的已调波形，而且

与

之间的改变是瞬间完成的。

从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方法及波形示例如图所示。图中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，

即是2FSK信号。

根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为

其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列

为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即

是[[image:bk063764w-11.gif]的反码，即若

=0，则

=1；若

=l，则

=0，于是

2FSK信号的功率谱为

其功率谱曲线如图所示，由离散谱和连续谱两部分组成。其中，连续谱由两个双边谱叠加而成，而离散谱出现在两个载频位置上，这表明2FSK信号中含有载波

、

的分量。

数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。相干解调2FSK系统的抗噪声性能优于非相干的包络检测，但需要插入两个相干载波电路较为复杂。包络检测无需相干载波，因而电路较为简单。当输入信号的信噪比r很大时，两者的相对差别不很明显。一般而言，大信噪比时常用包络检测法，小信噪比时才用相干解调法。

二进制频移键控调制

数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作2FSK。数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字消息控制载波的频率。2FSK信号便是符号“1”对应于载频

，而符号“0”对应于载频

（与

不同的另一载频）的已调波形，而且

与

之间的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK键控法则是利用受矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK信号的产生方法及波形示例如图5-7所示。图中s(t)为代表信息的二进制矩形脉冲序列，

即是2FSK信号。

根据以上2FSK信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为

（5-1）

其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列

（5-2）

（5-3）

g(t)是持续时间为

、高度为1的门函数；

为对s(t)逐码元取反而形成的脉冲序列，即

（5-4）

是

的反码，即若

=0，则

=1；若

=l，则

=0，于是

（5-5）

分别是第n个信号码元的初相位。一般说来，键控法得到的

与序号n无关，反映在

上，仅表现出当

与

改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于

与

改变时

的相位是连续的，故

不仅与第n个信号码元有关，而且

之间也应保持一定的关系。

由式（5-1）可以看出,一个2FSK信号可视为两路2ASK信号的合成，其中一路以s(t)为基带信号、

为载频，另一路以

为基带信号、

为载频。

下图给出的是用键控法实现2FSK信号的电路框图，两个独立的载波发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载波作为输出。

2 FSK信号的解调

数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、过零检测法、差分检测法等。

1. 包络检波法

包络检波法可视为由两路2ASK解调电路组成。这里，两个带通滤波器（带宽相同，皆为相应的2ASK信号带宽；中心频率不同,分别为（

、

）起分路作用，用以分开两路2ASK信号，上支路对应

，下支路对应

，经包络检测后分别取出它们的包络s(t)及

；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路s(t)及

的抽样值分别用

表示，则抽样判决器的判决准则为

图2 2FSK信号包络检波方框图

2. 相干检测法

相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图5-10所示。图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频信号的抽样值

进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原出基带数字信号。

图3 2FSK同步检测方框图

3. 过零检测法单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率的差异，这就是过零检测法的基本思想。过零检测法方框图及各点波形如图4所示。2FSK输入信号经放大限幅后产生矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到脉冲波的直流分量。这样就完成了频率－幅度变换，从而再根据直流分量幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。

图4 过零检测法方框图及各点波形图

4. 差分检测法

差分检波法基于输入信号与其延迟τ的信号相比较，信道上的失真将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为0时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真时，其检测性能优于鉴频法。